將引發新一輪電子技術革命的柔性顯示

■ 張建華

如今，顯示器已是人們獲取信息的重要視覺窗口，人們每天使用顯示器的時間可能已經超過了睡覺的時間。為了追求更好的視覺效果，人們對高清、大面積的顯示器有著極大的需求，但這又給人們帶來了新的困擾，大面積的顯示器攜帶困難，使用場所有著很大局限。于是人們有了新的愿景——顯示柔性化，利用柔性顯示使得大屏顯示器更易于攜帶，以電子皮膚的形式連接數字世界和現實世界，增強人們的交互式體驗。但你了解顯示技術的發展歷史么？又是什么制約著現在柔性顯示技術的發展呢？

■ 顯示技術的前世今生

視覺是人類獲取信息的重要途徑，留聲機的發明使得聲音信息可以被記錄與播放，人們便希望視覺信息也能夠被儲存。1894年，留聲機的發明者愛迪生推出了他的新發明——“電影視鏡”（Kinetoscope），也就是被人們廣泛熟知的膠片放映機。這種方式是利用光線將一張張帶有畫面的膠片照亮，放映機每秒照亮24張膠片，也就是以24幀率來實現畫面的動態效果。圖1所示的是膠片放映機結構示意圖。膠片放映機的出現帶給人們一種全新的視覺體驗。但膠片放映機只是照相技術的延伸，嚴格意義上不能稱為顯示器，顯示器的最大特征是利用電信號來復現圖像。

圖1 膠片放映機結構示意圖

1987年，陰極射線管（簡稱CRT）誕生，這種技術為真正意義上的顯示器提供了理論基礎，從而促使顯示器被廣泛應用。它是利用陰極電子槍發射電子，在陽極高壓的作用下射向熒光屏，使熒光粉發光；同時電子束會在電信號的控制下使得磁場偏轉，利用磁極來偏轉陰極射線，那么陰極射線會在規定的時間射向某一固定位置的熒光材料，出現不同位置的明暗差異，就形成了黑白圖像，這便是CRT顯示器。如圖2所示的是CRT顯示器實物圖及工作原理示意圖。CRT顯示器十分笨重，體積較大，功耗較高，不滿足人們的生活需求，科學家為了顯示器的輕量化、便攜性又做出了新的努力。

圖2 CRT顯示器實物圖及工作原理示意圖

20世紀60年代，液晶顯示器（LCD）技術橫空出世，由于其輕薄的特性得到了廣泛的關注。如圖3所示，LCD顯示器主要構成部分為：背光板、偏振片和液晶層。背光板大多利用發光二極管（LED）組成，起到提供光源的作用；偏振片結構類似平常生活中的百葉窗，具有一條條平行的網格線結構，當自然光經過豎直方向偏振片的透光軸后剩下與透光軸同向的線偏振光再經過第二個偏振片。兩個偏振片夾角為90度的話正好全部阻擋，為0或180度的話線偏振光全部通過，角度在之間的話會有部分損失；為了讓光線通過兩個夾角為90度的偏光片，液晶就發揮了巨大的作用，液晶具有改變光線方向的能力，在通電的狀態下，液晶分子受電場的影響發生扭轉，從而促使光線通過兩個相互垂直的偏振片。這樣光源就完成了傳輸，通過控制液晶的扭轉來控制光源的傳輸，最終達到點亮像素點的目的，陣列化的像素點不同的明暗組合，就組成了圖像。但LCD顯示器有一個缺點，那就是不能實現真正的黑色，LCD顯示器的液晶層不能完全關合，所以如果LCD顯示黑色的時候，會有部分光穿過液晶層，因此LCD的黑色實際上是白色和黑色混合的灰色。所以科學家又進行了新的探索。

圖3 LCD顯示器工作原理圖

2007年索尼推出了世界第一個有機發光二極管（OLED）顯示器。相比較于LCD屏幕，OLED顯示器的發光原理要簡單很多，它不需要背光層，也不需要液晶層，只需要通過控制電壓來控制有機發光二極管的發光量，就可以組成圖像，圖4所示的是OLED顯示器結構示意圖，所以OLED顯示器就像一個由無數個小彩燈組合的屏幕。由于少了背光層和液晶層，OLED顯示器的厚度可以做到更薄，更加方便攜帶，而且不同于LCD顯示器，OLED通過控制電壓使有機發光二極管關閉，所以可以顯示真正的黑色。

圖4 OLED顯示器結構示意圖

在屏幕的發展中，顯示器的基底通常是玻璃材質，這樣的硬質材質使得顯示器不具有柔性，如果把顯示器中的玻璃這類的硬質基材換為超薄透明的可折疊材料，就是柔性顯示，如圖5所示。柔性顯示屏必須為柔性，即可任意彎折、翻卷、折疊，且展開時要求無明顯的劃痕，其壽命一般要求20萬次（按照顯示屏使用壽命為5年，大約每天可折疊100次）。這就對柔性屏的材料和制作工藝提出了很高的要求。那是什么制約了現在柔性屏的發展呢？

■ 柔性顯示關鍵技術

1 耐高溫柔性襯底材料

生活中我們使用過各種柔性塑料，這些塑料是否能作為柔性顯示器的基底呢？在顯示器的制造過程中，常伴隨著高溫工藝，這就要求柔性基底有耐高溫的能力，同時作為基底層，要求具有良好的透明度、較高的強度、優異的韌性，這就使得行業內多使用聚酰亞胺（PI）作為基板材料。然而聚酰亞胺目前的難點集中于高純高性能材料制備、顯示器件功能穩定性和大批量顯示屏工業化的可量產性。

2 高分辨率制造

顯示器的分辨率是屏幕的縱橫向上的像素點數目，通常利用每英寸長度內所擁有的像素數目（PPI）來反映屏幕分辨率的好壞。人類視網膜分辨率為326PPI，這樣的密度相當于用米粒把一個標準足球場填滿。要在實質上粗糙不平的表面實現微納精度的制造，大面積跨尺度微納制造難度相當大。

3 高精度像素彩色化

柔性OLED顯示器的有機發光材料是依靠蒸鍍的工藝進行制作的，是指在真空條件下，采用一定的加熱蒸發方式蒸發鍍膜材料（或稱膜料）并使之氣化，粒子飛至基片表面凝聚成膜的工藝方法。真空蒸鍍機就如同OLED顯示器制程的“心臟”，可視為“真空中的光刻機”，被日本佳能Tokki獨占高端市場，說其掌握著OLED產業的咽喉也不過分，佳能Tokki可將誤差范圍縮小到人體紅細胞大小。可惜，目前我國在這個領域沒什么發言權，是關鍵的卡脖子技術。

4 高可靠性先進封裝

大部分塑料基底都沒有足夠能力充分阻擋外界雜質液體和氣體的侵入，當暴露在水和氧氣中時，器件的光電特性就會急劇衰退。其衰退老化機理涉及金屬陰極與發光層間的剝離和有機膜層內的化學變化。與玻璃的性質相比，塑料基底材料對水汽和氧氣的隔離及對器件防老化的保護作用不夠理想，因此還要對器件的封裝進行優化。

展望未來，在電影《頭號玩家》中，電影打造了一個虛擬游戲宇宙。人們只要戴上VR設備，就可以進入這個與現實形成強烈反差的虛擬世界，通過VR設備與虛擬世界進行互動，體驗前所未有的交互感受。這些場景的實現離不開顯示器，新型的柔性顯示器以及更新一代超高分辨集成電路混合顯示器讓這些穿戴式、交互式設備成為了可能。